焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形控制措施研究

張亞春

（大慶油田裝備制造集團抽油機制造分公司，黑龍江 大慶 163000）

在機械制造業(yè)中，尤其在石油裝備制造中，如抽油機、鉆井等設(shè)備，近一半以上的工作量是結(jié)構(gòu)件的焊接，焊接作為重要的加工工藝，在生產(chǎn)制造過程中發(fā)揮著不可替代的作用。但是在實際操作的現(xiàn)場，由于受到環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)件溫度、焊工的技術(shù)水平、焊接方法等條件的影響，使得焊接制造和焊接生產(chǎn)中焊接接頭會出現(xiàn)瞬間變形和瞬態(tài)熱應(yīng)力。據(jù)統(tǒng)計，在制造業(yè)中每年因為焊接應(yīng)力所帶來的損失已經(jīng)高達千萬元以上，甚至還會對人們的生命安全造成危害。因此，在工業(yè)制造中對焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的重視程度越來越高，為了更好的保障工業(yè)生產(chǎn)安全，已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)下必須解決的重要問題。

1 焊接變形的形成及產(chǎn)生的影響

1.1 焊接變形的形成

在焊接作業(yè)時，產(chǎn)生的熱過程是十分復(fù)雜的。而工件焊接工藝的選擇直接影響著工件的受熱問題。如果焊接工藝選擇的不合理，直接會加劇整個工件受熱不均勻問題，導(dǎo)致工件內(nèi)應(yīng)力分布不均勻，使工件發(fā)生嚴(yán)重的變形，影響工件的質(zhì)量導(dǎo)致無法正常使用。

首先，在焊接作業(yè)時都是進行局部受熱的，也就是說，只有在進行焊接的區(qū)域會受到加熱，產(chǎn)生熱量輸入。對于其他區(qū)域來講，會出現(xiàn)能量的消耗。而這種局部的加熱會直接導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。其次，焊接中熱過程是瞬時性的。熱量在金屬材料中的傳播速度極快，因此在焊接過程中，熱源是高度集中的，以實現(xiàn)在短時間內(nèi)將大量的熱量供給工件，這就使焊接過程中的熱過程具有時變性和非穩(wěn)定特性。最后，焊接過程中熱源是相對運動的。在焊接過程中，焊接熱源會隨著工件的位置變化而發(fā)生變化，這也在很大程度上加劇了焊接熱源的不穩(wěn)定性。

1.2 焊接變形產(chǎn)生的影響

對于工件來講，在沒有受到外力的作用下內(nèi)部的應(yīng)力是平衡的。但當(dāng)對工件進行焊接操作時，就會使工件受熱發(fā)生膨脹，冷卻發(fā)生收縮，這也就是熱脹冷縮原理。因此，在受熱和冷卻中溫度所發(fā)生的變化會使得工件發(fā)生變形，而工件的變形主要是在焊接過程中熱應(yīng)力分布不均勻引起的。在焊接處，與焊縫方向相同的殘余應(yīng)力叫作縱向應(yīng)力，而垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力叫作橫向應(yīng)力。而在工件中若有殘余應(yīng)力的存在，就會對工件產(chǎn)生很多負面影響。

首先，對靜載荷的影響。在焊接構(gòu)件中，當(dāng)縱向拉伸的殘余應(yīng)力較高時，可以拉近某些材料的屈服強度。當(dāng)受到外在工作應(yīng)力時，同方向的應(yīng)力會進行相互疊加，就會使該區(qū)域發(fā)生變形，導(dǎo)致工件不能繼續(xù)承載外力，使焊接構(gòu)件的有效承載面積減少。其次，對剛度的影響。在焊接構(gòu)件中，如果內(nèi)應(yīng)力方向與外載荷方向是一致的，當(dāng)受到外載荷作用時，焊接工件的剛度就會下降。并且焊接工件所發(fā)生的變形在卸載之后是無法進行恢復(fù)的。最后，對桿件壓穩(wěn)定性的影響。由于焊接的殘余應(yīng)力均勻的分布在工件內(nèi)部，因此，在焊接構(gòu)件的截面上會同時有壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。當(dāng)焊接構(gòu)架承受外載荷時，外加的應(yīng)力與焊接件截面上的壓應(yīng)力進行疊加，會使焊接構(gòu)架壓應(yīng)力區(qū)先達到屈服強度，導(dǎo)致焊接構(gòu)件減少承載能力。

2 控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的技術(shù)要求

2.1 采取定位焊點焊的方式

為了減少焊接結(jié)構(gòu)件的收縮應(yīng)力和焊接變形，在焊接方式上采取定位焊點焊的方式可以降低對焊接結(jié)構(gòu)件的變形影響。在焊接時，應(yīng)該先對受周圍約束較大的部位進行焊接，然后再對受周圍約束較小的部位進行焊接，這樣才能更好地保證先焊接的部位可以進行自由收縮，減少焊接結(jié)構(gòu)件的變形。

2.2 焊接時保持連續(xù)性

在焊接操作中，一旦對焊接結(jié)構(gòu)件進行了焊縫操作，就必須保持作業(yè)的連續(xù)性，不可因中途的其他緣故而中斷。但如果在焊接過程中有特殊原因，必須對焊接操作進行中斷時，要對焊接結(jié)構(gòu)件進行相應(yīng)的處理，以減少焊縫開裂。當(dāng)對該結(jié)構(gòu)件進行再次焊接時，要保證表面是清潔干凈的，并且不存在任何的缺陷，才可以按照原來的工藝?yán)^續(xù)對其進行重新焊接。

2.3 焊接時需要預(yù)熱

根據(jù)焊接工藝評定要求，焊接結(jié)構(gòu)件是需要對主縫和定位焊縫進行預(yù)熱的，并且焊接溫度在焊接過程當(dāng)中要得以保持。對于定位焊縫預(yù)熱溫度與主奉預(yù)熱溫度相比，定位焊縫的預(yù)熱溫度要高出20 ～30 度。預(yù)熱的方式可以采用加熱板對焊件進行均勻加熱。

3 有效控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形

3.1 焊接方法必須合理

在機械生產(chǎn)制造過程中，對焊接件進行焊接時選擇正確的焊接方法是非常重要的。倘若我們根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)件的實際情況，所選擇的焊接方式是線能量較低的，就可以實現(xiàn)大幅度地減少焊接區(qū)塑性壓縮區(qū)，同時在焊接過程中還可以對焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形進行有效的控制?，F(xiàn)階段，在焊接工藝中，能夠有效降低焊接變形量的工藝有無極氬弧焊、手工電焊弧以及二氧化碳氣體保護焊等方法。因此，在對焊接結(jié)構(gòu)件進行焊接時，如果在工藝上以上三種方法可以實現(xiàn)焊接需求，那么可以通過該方法有效控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形。

3.2 減小變形

減少焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形，首先要從減少線能量開始。通過減小線能量能夠有效地防止焊接接頭的波浪變形、角變形等，減少線能量對控制梯形接頭的腳變形和橫向收縮所起到的效果最好。一般對結(jié)構(gòu)件進行焊接時，主要有縱向焊縫和橫向焊縫，因此在進行焊接時，主要是控制焊接接頭的波浪變形、角變形等。當(dāng)線能量為定值時，增大板厚可以使收縮變形下降。但是在實際焊接中，要保障焊接結(jié)構(gòu)件焊透，當(dāng)板厚增大使線能量也會增加，線條金屬熔敷量就會增大，也會使收縮變形增大。況且在實際焊接過程中，很多時候是要對焊縫進行局部翻修的，一次焊接很難使其焊透。因此，在對焊接操作進行設(shè)計時，要充分的考慮板厚的因素，進行合理的確定。此外，在機械制造時，要控制好坡口和根部間隙所帶來的影響，制作時應(yīng)該在平面度兩毫米的專用平臺上進行，下料的尺寸和鋼板劃線都要保證精確。同時還要保證控制鋼板卷制過程中中卷板機卷軸心線與鋼板寬度中心線是垂直的。

減少焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形，其次是要進行自由收縮。在對焊接結(jié)構(gòu)件進行焊接設(shè)計時，應(yīng)充分利用焊接后收縮變形與結(jié)構(gòu)反變形之間的相互抵消。由于變形之間的相互抵消，可以降低焊接件的變形。因此，在焊接過程中先進行縱向焊縫的內(nèi)側(cè)焊接，然后再進行拼裝。

3.3 消除變形

對于通過焊接已經(jīng)形成變形的結(jié)構(gòu)件，可以通過先進的技術(shù)對其進行矯正，有效地消除焊接殘余變形。目前，經(jīng)過大量的實踐和理論研究，機械加壓矯正變形法和火焰加熱矯正變形法對于焊接件殘余變形的消除效果最佳。因此，在焊接操作規(guī)程中，對于已經(jīng)產(chǎn)生焊接變形的結(jié)構(gòu)件通過相應(yīng)的消除手段使其恢復(fù)，可以提高結(jié)構(gòu)件焊接作業(yè)的有效生產(chǎn)力，減少焊接過程中因焊接應(yīng)力導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)件質(zhì)量不合格所帶來的經(jīng)濟損失。

4 結(jié)語

綜上所述，在機械制造業(yè)進行日常的焊接工作時，影響焊接結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形的因素很多，而焊接結(jié)構(gòu)架變形也是眾多因素共同作用的結(jié)果。因此，在焊接環(huán)境合適的情況下，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整焊接規(guī)范和焊接工藝可以減少焊接結(jié)構(gòu)件的變形量。其次，焊接作業(yè)人員也要在不斷的作業(yè)實踐中總結(jié)經(jīng)驗，不斷地對焊接工藝進行完善和優(yōu)化，使我國制造工業(yè)的裝焊技術(shù)和焊接工藝的水平再上一個新臺階，為機械工業(yè)企業(yè)帶來給好的經(jīng)濟效益和發(fā)展空間，促進我國機械工業(yè)的發(fā)展。